高建鵬

（蘭州理工合金粉末有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

氣體霧化技術在材料科學和工程領域具有廣泛應用，在鐵基非晶合金粉體制備中，形狀控制至關重要。粉末形狀會直接影響性能和應用，尤其在增材制造中，金屬粉體形狀對非晶構件的制造非常重要。除粒徑和非晶含量外，粉體形狀還決定封裝密度、流動性和孔隙率，直接影響構件的均勻性和力學性能。球形度和縱橫比是關鍵參數(shù)，會受熔滴過熱度、粉末直徑和衛(wèi)星組織的影響[1]。過熱的熔滴有助于產(chǎn)生接近球形的粉末，但隨著粉末直徑增大，球形度下降。熔體球化時間也比較重要，足夠時間能得到良好的球形粉末，時間不足可能會造成不規(guī)則形態(tài)。因此，選擇和控制粉體形狀對增材制造中構件的結構和性能至關重要。本文深入探討了氣體霧化制備鐵基非晶合金粉體的過程，側重于形狀控制，以期為深化氣體霧化工藝理解提供支持。

1 試驗材料與方法

1.1 氣體霧化過程

在高純度N2氣氛中合成Fe50Cr18M07.5Ni3.5P12B83C3.5Si2.5合金。原料包括高純度Fe、Cr、Mo、Ni、FeB、FeP、C、Si。原料混合后，在感應熔煉坩堝中升溫至1500K，確保均勻熔融。然后在N2氣氛中通過霧化噴嘴以5MPa～8MPa 的壓力霧化，生成均勻非晶態(tài)粉末。霧化后進行等溫處理并冷卻，再收集室中獲得的冷卻的非晶態(tài)粉末。

1.2 透射樣品制備

先將粉末與電鍍液混合，以確保顆粒均勻分散。通過磁力攪拌器保持懸浮狀態(tài)，避免沉淀。然后利用直流電將其沉積在樣品表面，形成一層薄膜，并通過控制電流密度和時間來調節(jié)厚度。再對薄膜進行打磨、沖孔并制造凹坑，以準備好樣品供TEM 觀察。最后采用離子減薄技術進一步削減薄膜厚度，確保能適用于高分辨率的TEM 觀察[2]。

1.3 掃描樣品制備

Fe 基非晶合金粉體與特定樹脂混合，確保均勻分散。將混合物進行加熱和真空處理以固化樹脂，并去除潛在氣泡，確保表面平整。樹脂凝固后，打磨樣品，獲得平坦的橫截面。為了進行SEM 觀察，樣品表面噴涂導電性金屬，以提高導電性并減少電荷積累。

1.4 結構表征

先進行熱處理，將Fe 非晶條帶分別加熱至不同溫度（853K、883K、973K 和1023K），并在每個溫度下保溫2h，使結晶結構發(fā)生變化。然后進行研磨，使用粗砂紙將條帶磨至其厚度約為100μm，用細砂紙進一步磨削，以確保表面的平整和一致性。再將研磨后的條帶用沖孔器切割成多個直徑約3mm的圓片，并在圓片上制備凹坑。最后通過離子刻蝕，將這些圓片樣品刻蝕出洞，確保洞的邊緣厚度約為100nm 以下，以滿足透射電鏡觀察要求，同時獲得樣品的交叉截面[3-4]。結合透射電鏡觀察和X 射線衍射試驗結果，分析非晶條帶的內部結構，從而確定其相組成和分布。

2 試驗結果

2.1 初次破碎和振蕩現(xiàn)象

先將熔體引入霧化器，通過導液管逐漸形成均勻的、直徑一致的液柱，然后緩慢降入霧化腔底部。初始時，液柱的直徑保持均勻。然后，高壓氣體以高速進入霧化器，并猛烈地撞擊液柱表面，出現(xiàn)第一次形變，液柱的橫截面積變小。進而氣體連續(xù)不斷沖擊，導致液柱發(fā)生明顯的縮頸現(xiàn)象，使底部開始積聚熔滴，如圖1所示。

圖1 氣體霧化過程中的初次破碎過程

通過模擬結果可以看出，液柱快速發(fā)生扭曲，部分熔滴從中脫離。氣體的持續(xù)沖擊最終導致熔體斷裂。下部的熔滴開始下落，而上部則逆流，向導液管的方向移動。在該過程的模擬云圖中可見有大量熔滴形成，導致出現(xiàn)過度曝光的現(xiàn)象。

關于熔滴初次破裂位置，主要分為3 種情況。首先，下部受到氣流沖擊的熔滴較大，這是由氣體的強烈作用造成的。其次，當氣流在中軸線處匯聚時，上部的熔體受重力作用開始脫離，形成相對較小的熔滴。最后，位于導液管邊緣的熔體受反向氣流沖擊，呈放射狀運動狀態(tài)，最終受氣孔方向的氣流沖擊而破裂。該位置的氣流具有最大動能，因此熔滴的直徑最小，如圖2所示。

圖2 初次破碎熔滴和熔體分布

在霧化場中，初始階段的熔體破碎完成并形成穩(wěn)定的氣-液雙相流場后，不會存在完整的合金熔體（導液管內的連續(xù)相除外）。此時，在導液管位置施加壓力以引入熔體，可以觀察到導液管中熔體液面出現(xiàn)周期性高低振蕩，如圖3所示。在圖3 中，上部代表熔體，下部代表氮氣，中間部分則是交界面。從0.0001s 開始，熔體已經(jīng)進入導液管。該狀態(tài)一直持續(xù)到0.0012s，導液管中的液面一直下降。但是0.0013s 時，導液管中的液面突然升高，接近初始位置，然后再次下降。該振蕩過程一直反復，此時其頻率約為833Hz。

圖3 導液管液面振蕩

使用高速攝影技術記錄制備Fe 基非晶合金粉末的氣體霧化過程。選擇氣體和熔體同時處于穩(wěn)定狀態(tài)時進行觀察和分析，如圖4所示，箭頭指示了熔體在導液管處斷開的位置，該位置為振蕩循環(huán)的開始。隨著時間推移，熔體截斷位置不斷下移，直到下一個熔體截斷出現(xiàn)在導液管口，該位置為振蕩循環(huán)的結束和下一個循環(huán)的開始。在實際拍攝過程中，振蕩頻率并不穩(wěn)定，圖4所示為2 個完整的循環(huán)，共計9 幀。將相機拍攝頻率設置為3623 幀，因此振蕩頻率約為805Hz。高速攝像機記錄的現(xiàn)象證實了霧化過程中存在振蕩現(xiàn)象，表明氣體霧化過程不是恒定狀態(tài)，而是不斷變化的過程[5-6]。

2.2 二次破碎與粉體的形態(tài)

初次破碎后，熔體逐漸形成大液滴，二次破碎會將其分解為小液滴。該過程受加熱溫度和氣體壓力的影響。當熔體過熱度較高（以1500K 為例），合金熔滴在第二次破碎過程中能夠形成完美球體狀的粉末[7]。

初次破碎后，在高速霧化氣體的沖擊下，大熔滴的形狀從圓形變成短棒狀，短棒狀熔滴的變形量逐漸增大，出現(xiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象，然后在縮頸處，熔滴被分成2 個小熔滴，最終完成二次破碎過程。

值得注意的是，如果在熔滴二次破碎的過程中氣體霧化速度過快，導致熔滴凝固前未經(jīng)歷完整的二次破碎過程，那么不同破碎階段的形態(tài)均會被保留。具體來說，可以觀察到橢球形的粉末、出現(xiàn)明顯縮頸的粉末、即將從縮頸處斷裂的粉末以及經(jīng)過完整二次破碎形成的完美球形非晶合金粉末。

在低過熱度條件下（1300K），破碎過程中會產(chǎn)生形狀不規(guī)則的熔滴。在該情況下，二次破碎過程中的2 個熔滴并未完全分離，而是通過一根細長的納米絲相連，或者納米絲在分離后已經(jīng)凝固，形成類似蝌蚪狀的球形粉末。該納米絲較長，長度為毫米級別，直徑為納米級別[8]。

在冷速較快的情況下，二次破碎后的熔滴可能在球化之前就已經(jīng)凝固，并形成不規(guī)則的水滴狀粉末。具體來說，球化所需時間較短，不足以覆蓋凝固時間，次熔滴會在凝固前保持不規(guī)則形狀。此外，如果較小的熔滴已完全凝固，而較大的熔滴尚未凝固，其在氣流湍流較強的區(qū)域可能會出現(xiàn)相互碰撞的情況，并形成衛(wèi)星組織。

2.3 氣體霧化的振蕩過程

在氣體霧化過程中，導液管底部的高壓可能會造成導液管堵塞甚至發(fā)生返噴。模擬結果顯示，當霧化氣體壓力為5MPa～8MPa 時，導液管底部的壓力為200kPa～350kPa，相當于大氣壓力的2～3.5 倍。然而在實際試驗中，并沒有遇到導液管堵塞或返噴的情況，主要原因如下。

首先，導液管底部的氣體速度非常低，幾乎為零，即使存在高壓，底部的氣體也沒有足夠的速度來引發(fā)返噴。其次，在氣體霧化過程中存在振蕩現(xiàn)象，包括以下5 個步驟：1）在沒有熔體進入霧化腔的情況下，高壓氣體形成穩(wěn)定的單相氣流場，并形成閉渦結構。該階段有一個低壓區(qū)域，稱為初次循環(huán)區(qū)，具有負壓力，有助于將熔體吸入霧化腔。2）熔體從導液管底部向四周擴散，形成放射狀結構，此時還沒有對單相氣流場造成破壞。3）熔體在導液管的角部位開始破碎，產(chǎn)生熔滴，高壓氣體向低壓方向流動。4）由于熔滴破壞了閉渦狀態(tài)下的氣體動力學，因此高壓氣體進入次回流區(qū)，導致導液管底部的壓力逐漸增加。5）導液管底部的壓力逐漸升高，最終導致熔體停止流動。此時，一次回流區(qū)不再含有熔體，而霧化氣體會重新建立單相場的閉渦結構。該循環(huán)反復出現(xiàn)，確保霧化過程持續(xù)進行，不會造成導液管堵塞或返噴[9-10]。

在氣體霧化過程中，高壓現(xiàn)象并不罕見，由于存在高溫度梯度和速度梯度，難以直接測量導液管底部的壓力，因此只能通過試驗和模擬來觀察該現(xiàn)象。熔體先橫向擴展，導致霧化呈錐形。該情況存在較強的徑向壓力梯度，表明可能存在高壓區(qū)域，通常在中軸線上。另外，在一定程度上導液管底部會存在高壓，但并沒有造成導流管堵塞或發(fā)生反噴。該高壓會導致出現(xiàn)單相場和雙相場振蕩現(xiàn)象，也是“嘯叫”產(chǎn)生的原因。

2.4 熔滴的球化時間和凝固時間的競爭關系

在二次破碎結束后，熔滴受表面張力作用逐漸球化。然而，對于高黏度流體（如非晶合金溶液），黏度會妨礙球化。這2 種競爭作用決定了不規(guī)則粉體球化所需時間，可以使用如公式（1）所示的球化時間（tsp）計算公式。

從公式（1）可以看出，熔滴的直徑和體積越大，球化越困難。黏度會抑制球化，而表面張力促進球化。當球化時間小于凝固時間（tso1）時，熔滴可以在凝固前快速完成球化，并形成球形粉體。反之，如果球化時間大于凝固時間，熔滴在未完成球化前凝固，則會形成不規(guī)則粉體。

采用數(shù)值模擬方法模擬2 個不同直徑粉體顆粒的降溫曲線，如圖5所示。結合Fe 基非晶合金的固相線溫度，當顆粒溫度降至固相線溫度時，即為熔滴凝固時間。初始液滴呈蝌蚪形狀，其初始直徑為61.4μm，最終直徑為73.2μm，根據(jù)公式（1）計算球化時間，為6.50×10-5s，見表1。凝固時間可以從模擬冷卻曲線（圖5）中獲得，為7.67×10-4s。此時粉體已經(jīng)完成球化，最終呈現(xiàn)球形，因為某部分凝固得太快，所以形成了不規(guī)則的蝌蚪形狀。

表1 不同形狀球化時間與凝固時間

初始液滴呈水滴形狀，初始直徑為11.4μm，通過公式（1）計算球化后的球體直徑，為15.7μm，見表1。根據(jù)圖5，凝固時間約為9.3×10-5s，此時該液滴并未球化，導致形成水滴形狀的不規(guī)則粉體顆粒。

3 結論

本文在研究氣體霧化過程中，進行了熔體破碎模擬，觀察了氣體霧化的液柱破碎過程，并將其與高速攝像機記錄的實際影像進行對比。此外，對二次破碎后形成的不規(guī)則熔滴與通過掃描電鏡觀察到的粉體形狀進行了詳細對比，闡明了氣體霧化過程中不規(guī)則粉體形成的原因。1）初次破碎是由高速氣流對液柱施加沖擊引起的，導致液柱的橫截面積縮小，進而出現(xiàn)縮頸和斷裂。初次破碎點分布在斷裂熔體、氣流匯聚處和導流管邊緣。在穩(wěn)定狀態(tài)下，初次破碎主要發(fā)生在導流管的邊緣。2）氣體霧化過程中振蕩現(xiàn)象的頻率約為833Hz，而高速攝像機的記錄驗證了該現(xiàn)象的存在，頻率約為805Hz。出現(xiàn)這種振蕩現(xiàn)象的主要原因是氣液兩相場中導液管底部位置存在高壓，該振蕩現(xiàn)象有助于細粉的形成。3）在氣體霧化過程中，二次破碎使熔滴分裂成兩部分。該過程包括熔滴的形狀變?yōu)闄E球狀，進而出現(xiàn)縮頸，最終斷裂。在快速冷卻條件下，破碎過程可能比熔滴完全凝固發(fā)生更早，導致形成紡錘形、橢圓形和絲狀粉末。如果破碎完成但球化時間較長，會形成水滴狀粉末；反之，如果球化時間短于凝固時間，將會形成蝌蚪狀粉末。